КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-72-00148

НазваниеГенерация электромагнитного излучения в активных и нелинейных топологических структурах

РуководительСмирнова Дарья Александровна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук", Нижегородская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словатопологическая фотоника, нанофотоника, метаповерхность, лазер, краевое состояние, резонанс, радиационные потери, нелинейная оптика

Код ГРНТИ29.31.27


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект посвящён разработке теории генерации излучения в активных топологических структурах, которая будет учитывать совместное влияние нелинейности среды, нарушения приближения сильной связи между структурными элементами топологической системы и радиационные эффекты. Развитое описание будет служить основой для проектирования топологических лазеров. Планируется рассмотреть различные дизайны топологических излучающих систем, выполненных на базе диэлектрических и полупроводниковых наноструктурированных метаповерхностей или решеток из близко расположенных одномодовых диэлектрических волноводов. Основное внимание в проекте будет уделено исследованию вопросов, связанных с надежной (защищенной от рассеяния на дефектах) генерацией монохроматического излучения и последовательности коротких импульсов в фотонных структурах, содержащих несколько топологических резонаторов, представляющими собой доменные стенки, или границы раздела топологически тривиальных и нетривиальных областей. Для решения поставленной задачи будут развиты новые теоретические подходы к анализу взаимного влияния топологических и нелинейных эффектов при генерации излучения, и проведено полномасштабное численное моделирование в рамках уравнений Максвелла с материальными соотношениями, описывающими особенности нелинейности (и в частности, ее инерционность) в рассматриваемых топологических структурах. Актуальность намеченных в проекте исследований связана с перспективой использования оптических топологических изоляторов в интегрированных оптических цепях, интерес к которым главным образом обусловлен поиском возможных альтернатив кремниевой электроники для повышения скорости обработки информации. Тематика проекта является актуальной и активно обсуждается в настоящее время в научной литературе. Выполнение проекта внесет существенный вклад в создание источников лазерного излучения, эффективно использующих как топологические, так и нелинейные особенности наноструктурированных сред. Научный потенциал руководителя проекта, имеющего значительный задел и ряд перспективных идей в области неэрмитовой нелинейной топологической фотоники, позволит обеспечить соответствие результатов проекта мировому уровню.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет разработано теоретическое описание активных топологических систем, которое будет одновременно учитывать нелинейные свойства среды, дальнее взаимодействие между отдельными элементами топологических решеток и радиационные эффекты. Такое комплексное описание внесет вклад в развитие приложений неэрмитовой нелинейной топологической фотоники, в частности, для проектирования лазерных излучателей. Все полученные результаты будут подтверждены численным моделированием, проведенным непосредственно в рамках уравнений Максвелла с использованием материальных соотношений, адекватным образом описывающих рассматриваемые топологические структуры. Основные ожидаемые результаты состоят в следующем. 1. С использованием мультипольных разложений для электромагнитных полей будет развито теоретическое описание угловых состояний (“corner states”), локализованных вблизи углов топологических резонаторов (треугольной, прямоугольной, гексагональной и др. формы), представляющих собой доменные стенки или границы областей с тривиальной и нетривиальной топологией в нелинейных диэлектрических и полупроводниковых метаповерхностях. Будут предсказаны закономерности работы топологических лазеров, использующих высокодобротные угловые состояния, в слабо и сильно надпороговых режимах. 2. На основании численного моделирования угловых состояний в конкретных топологических структурах будут исследованы возможности их применения в реалистичных микроволновых и оптических схемах источников лазерного излучения. Будут оптимизированы параметры топологических лазеров на угловых модах в зависимости от частотного диапазона, накачки и природы внедренных в метаповерхность активных элементов. 3. Будут изучены режимы лазерной генерации на доменных стенках в топологических фотонных решетках на основе димеризованного графена, составленных из одномодовых диэлектрических волноводов. В качестве возможной практической реализации будут рассмотрены периодические структуры из допированного халькогенидного стекла (GaLaS или AsSe) с учетом линейной и нелинейной диссипации, а также керровской нелинейности в случае неоднородной оптической накачки с насыщением, локализованной вдоль доменной стенки. 4. Будут проанализированы свойства диссипативных солитонов, распространяющихся вдоль доменных стенок в активной фотонной нелинейной топологической решетке. Будет исследована устойчивость диссипативных солитонов по отношению к рассеянию на дефектах решетки и углах доменных стенок. Ожидаемые результаты представляют интерес для многочисленных приложений в телекоммуникационных и вычислительных технологиях, связанных, в частности, с реализацией управляемой устойчивой генерации лазерного излучения в интегральных оптических цепях. Они полностью соответствуют мировому уровню и будут опубликованы в ведущих физических журналах, относящихся к первому квартилю.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В первый год выполнения Проекта нами был получен ряд оригинальных результатов в области физики нелинейных и активных топологических структур. 1. Были изучены несколько дизайнов активных топологических метаповерхностей с различными кристаллическими симметриями. Их конкретные оптические реализации могут быть основаны на наноструктурированных полупроводниковых мембранах или решетках цилиндрических стержней с внедренными квантовыми ямами или точками. Были рассмотрены следующие конкретные геометрии: треугольные резонаторы в бипартитной гексагональной решетке типа графена, образованные инверсией размеров резонансных элементов (отверстий или частиц) в замкнутой области; угловые резонаторы в графене с деформацией Кекуле; квадратные топологические резонаторы и крестообразные сочленения доменов в димеризованных решетках симметрии C4. Мы идентифицировали краевые и угловые моды, расположенные в топологических запрещенных зонах, изучили их радиационные свойства с помощью техники мультипольного разложения и оптимизировали их спектральные характеристики и пространственные распределения. В частности, мы обнаружили, что появление добротных связанных угловых состояний в топологических резонаторах, имитирующие аналог долинного эффекта Холла, зависит от степени асимметрии между двумя элементами в элементарной ячейке. В спектре квадратных резонаторов мы различили четыре мультипольные угловые моды, демонстрирующие эффект лазирования, среди которых квадрупольная мода имеет самый низкий порог генерации из-за повышения добротности вследствие радиационной связи между углами. 2. Был проведен численный и аналитический анализ Y-образного сочленения трёх доменов в графеновой решётке с введённой деформацией Кекуле. В континуальном пределе с использованием модели Дирака была найдена пространственная структура топологического связанного состояния, локализованного в области Y-образного сочленения, с частотой, лежащей в центре запрещенной зоны, и имеющего вихревую природу. В качестве возможной практической реализации был разработан дизайн и оптимизированы параметры наноструктурированной топологической метаповерхности на основе мембраны из фосфид арсенида галлия индия (InGaAsP), содержащей квантовые ямы. Найденное спектрально изолированное угловое состояние, характеризующееся узкой диаграммой направленности с расходимостью пучка порядка 15 градусов и сингулярностью в нормальном направлении, топологически устойчиво и представляет интерес для проектирования лазерных излучателей. 3. Развита теория извлечения топологических инвариантов в фотонных решетках связанных волноводов и резонаторов с радиационными потерями. Предложенная схема основана на вычислении проектора поля, формирующегося в результате эволюции локализованного возбуждения. Контролируемое заполнение энергетичеcких зон достигается динамически путем регулирования уровня потерь, связанных с излучением из фотонной решетки (или потенциала окружения). Проведенное численное моделирование эволюции локализованного возбуждения в димеризованном массиве оптических волноводов подтверждает экспериментальную реализуемость данного подхода, который может стать важной альтернативой трудоемкому процессу характеризации топологических свойств зонных структур в импульсном пространстве с помощью томографии. 4. Показано, что сценарии развития модуляционной неустойчивости в киральной квадратной решетке c нелинейностью Керровского типа определяются топологическими свойствами энергетических зон. Анализ модуляционной неустойчивости позволяет установить топологию зонной структуры (тривиальна она или нетривиальна). Количество вихревых образований, возникающих в результате неустойчивости, квантовано, что может быть напрямую использовано для извлечения топологического инварианта (числа Черна). Развитый подход представляется перспективным также для нелинейной генерации топологически нетривиальных состояний света. Ссылки в сети Интернет: https://www.nature.com/articles/s41567-020-01144-5 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.073901 https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/ifbs-sst021821.php По результатам проведенных работ были опубликованы статьи в журналах из первого квартиля Physical Review Letters (IF=8.385) [Editor's Suggestion] и Nature Physics (IF=19.256).

 

Публикации

1. Лейкам Д., Смирнова Д.А. Probing bulk topological invariants using leaky photonic lattices Nature Physics, - (год публикации - 2021).

2. Лейкам Д., Смолина Е., Малуков А., Флах С., Смирнова Д.А. Probing band topology using modulational instability Physical Review Letters, vol. 126, p. 073901 (год публикации - 2021).